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多普勒直接探测激光测风雷达接收光学系统研究

作　者: 李金
导　师: 赵卫疆
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 激光测风雷达耦合效率光学设计非球面透镜
分类号: TN959.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

激光测风雷达是通过向大气中发射激光，通过接收激光与气溶胶和大气分子发生散射的回波信号，通过F-P标准等鉴频系统具探测回波信号的多普勒频移，从而反演出大气风场。光学系统的设计在激光个模块中有着举足轻重的地位，尤其是接收系统的设计和分析。本文对激光雷达接收光学系统进行设计和研究，主要内容包括以下几个方面：首先，接收光学系统的结构设计。本文根据激光雷达方程结合激光雷达预期指标确定接收光学系统的接收孔径这一重要参数，在综合考虑加工工艺与整体结构后，利用Zemax软件设计出合理的卡塞格伦系统。其次，光纤耦合系统的引入与设计。根据激光雷达总体设计方案，选择将雷达回波信号光经过光纤传导进入鉴频系统，但是望远镜系统焦距过长，这使得回波信号的光斑尺寸相对光纤偏大，需要设计光纤耦合系统压缩光斑，提高耦合效率。并且，本文提出了三种可行有效的耦合系统设计方案，并分别利用Zemax软件完成设计。再次，光纤耦合效率的分析。分析影响光纤耦合效率的影响因素，重点讨论了光纤端面的位置偏差对耦合效率的影响方式。本文理论上引入Zernike多项式对光纤端面的位置偏差对耦合效率的影响建立了数值模型，并结合Zemax仿真软件对各影响因素进行了分析。最后，耦合效率的实验测量。根据前面的耦合透镜的设计，完成加工，本文做了耦合效率的测量实验，设计并完成了对光纤端面对于耦合效率的影响方式的验证实验。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第1章绪论  8-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8-9
  1.2 激光测风雷达光学系统研究进展  9-14
    1.2.1 相干探测激光测风雷达研究进展  10
    1.2.2 直接探测激光测风雷达发展状况  10-14
  1.3 多普勒激光测风雷达光学系统现状分析  14-15
  1.4 课题来源及论文主要工作  15-16
第2章接收光学天线系统设计  16-29
  2.1 引言  16-17
  2.2 激光测风雷达发射系统  17-19
  2.3 接收望远镜系统  19-28
    2.3.1 卡塞格伦光学天线理论模型  20-23
    2.3.2 卡塞格伦光学天线仿真设计  23-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章光纤耦合系统设计  29-40
  3.1 引言  29
  3.2 光纤耦合系统的引入  29-31
  3.3 光纤耦合系统的设计  31-38
    3.3.1 球面镜的设计  31-33
    3.3.2 非球面透镜的设计  33-36
    3.3.3 双胶合透镜的设计  36-38
    3.3.4 三方案仿真比较  38
  3.4 本章小结  38-40
第4章光纤耦合效率分析  40-51
  4.1 引言  40
  4.2 光纤耦合效率理论研究  40-45
  4.3 光纤耦合效率 Ze ma x 仿真分析法  45-50
  4.4 本章小结  50-51
第5章接收光学系统实验研究  51-64
  5.1 引言  51-52
  5.2 耦合效率的测量实验  52-57
    5.2.1 试验装置的设计  52-53
    5.2.2 接收和发射系统同轴调整  53-55
    5.2.3 耦合效率的测量  55-56
    5.2.4 三方案下耦合效率的比较  56-57
  5.3 光纤端面调整偏差对光纤耦合效率的影响  57-62
    5.3.1 实验装置的设计  57-58
    5.3.2 光纤耦合效率的影响验证实验  58-62
  5.4 本章小结  62-64
结论  64-65
参考文献  65-71
攻读硕士期间发表的论文及其它成果  71-73
致谢  73-74
个人简历  74-75

多普勒直接探测激光测风雷达接收光学系统研究

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